专家点评Nat Biotechnol | 沈玥团队发布mMPS技术，从源头颠覆DNA合成范式

点评丨元英进（中国科学院院士）、谭蔚泓（中国科学院院士）、樊春海（中国科学院院士）、闫建斌（中国农业科学院（深圳）农业基因组研究所）

在合成生物学领域，DNA合成技术长期受限于传统微阵列方法的固有瓶颈——在追求高通量的同时牺牲了单序列产量与纯度，导致长片段基因组装效率低下、交叉杂交风险显著，严重制约了染色体工程、大规模突变库构建等前沿研究的深入。

2025年 10月1日，华大生命科学研究院沈玥团队在 Nature Biotechnology 杂志上发表了题为 Scaling DNA synthesis with a microchip-based massively parallel synthesis system 的研究文章，以“微阵列”到“微芯片”的范式转移成功打破了这一僵局，从源头颠覆了DNA合成范式。该技术将合成单元从“微阵列上的一个点”革新为“独立可寻址的微芯片”，通过“识别-分选-合成-回收”的循环机制，实现了单序列产量从fmol到nmol级的4–6个数量级跃升。 同时，该技术还 将基因组装流程简化至两步，无需引入冗余的条形码引物与酶切步骤，真正实现了从“合成通量”到“合成质量与效率”的系统性突破。

这一突破源于研究团队对合成控制方法和芯片材料结构的前瞻性重构。mMPS技术率先提出可识别微芯片控制方法，并将碳化硅与多孔氧化铝等高性能材料引入芯片基底，通过构建三维多孔结构将反应表面积提升数个数量级，使单位芯片的寡核苷酸载量在高通量合成下实现了从fmol到nmol的跨越，解决了传统硅基芯片表面化学单一、反应空间受限的问题，更使芯片具备可重复使用能力，为可持续、低成本的DNA合成奠定了坚实基础。

该技术将合成生物学从“写得出”推向“写得准、写得优、写得省”的新高度，有望为基因组编写、疫苗快速开发与DNA数据存储等领域提供关键支撑，在全球生物制造领域展现中国创新的底层突破力量。

实战表现：从基因组装到突变库构建的全面验 证

研究团队通过系统性实验验证了 mMPS 在多场景下的卓越综合性能 ： 在基因组装应用方面，研究团队对 185 个 600–1200 bp 基因进行组装，成功率高达 95.7% ，远超传统方法（ <2% ）；即使面对 8 kb 长片段，组装成功率仍达 58.3% ，展现了强大的长链合成能力。

此外，研究团队将mMPS技术应用于构建覆盖近 200 万个变异的人类蛋白域文库时，基于 mMPS 技术构建的蛋白突变体局达到 97.8% 的超高覆盖度，氨基酸分布均匀性极佳（ CV=0.22 ），为大规模功能突变研究提供了高质量模板（详见BioArt报道：）。这些成果充分证明了该技术在处理复杂序列、高 GC 含量区域和重复序列方面的独特优势，为蛋白质稳定性研究与疾病突变机制解析提供了可靠的技术支撑 。

产业赋能：从 “ 工具创新 ” 到 “ 制造革命 ” 的深度变 革

除了在基础研究中表现出色，mMPS技术 在 产业领域 也已 展现巨大的应用潜力。 它将全面推动 DNA合成从一项实验室服务，升级为生物制造基础设施， 从而 在医药、诊断等领域催生系统性效率革命。

在创新药物研发中，mMPS技术能够大幅加速抗体发现与优化进程，其中高质量的突变体库构建尤为关键，该技术对推动抗体药物、CAR-T细胞治疗等领域的发展具有重大意义。相较于传统方法需耗时数周完成突变库构建，mMPS技术体系可将其缩短至数天，并显著提升覆盖度与均匀性。

而 在酶制剂、生物基材料、精细化学品等生物制造领域， mMPS 支持的快速酶定向进化将把菌株改造周期从数月缩短至数周。研究表明，其单碱基合成成本较传统方法降低约 70% ，为大规模工业化应用铺平道路。生物制造企业可借此构建 专属酶库和代谢途径库 ，形成技术壁垒 。

此外， 面向多靶点检测、早筛 panel 定制等需求， mMPS 可一次性合成数千对引物探针，成本较柱式合成下降 3 倍 以上。这将推动 NGS 检测 panel 从数百个靶点向 万级靶点 升级，为癌症早筛、传染病监测、遗传病诊断提供更全面的解决方案 。

值得一提的是， mMPS 的模块化、自动化特性为 生物铸造厂（ Biofoundry ） 的兴起提供技术基础。未来可能出现 “DNA 合成即服务 ” 的新型平台，通过 AI 驱动设计、自动化合成、机器人测试的闭环，为行业提供从序列设计到功能验证的一站式解决方案 。

未来展望：从 “ 技术平台 ” 到 “ 生物经济基础设施 ”

随着芯片可重复使用技术的成熟 以及 工艺的进一步优化， mMPS 有望成为 下一代工业级 DNA 合成工厂的核心引擎 。其模块化、可扩展的特性，使得 “ 芯片感知的 DNA 合成 ” 成为可能，实现合成任务的智能调度与资源优化 。

mMPS 技术的问世，不仅是 DNA 合成领域的一次技术迭代，更是 合成生物学从 “ 实验室探索 ” 走向 “ 工业化制造 ” 的关键转折点 。它打破了国外在高端 DNA 合成领域的长期垄断，为我国在生物经济时代掌握战略主动权提供了底层工具保障 。

未来， 随着 mMPS 技术的推广应用，更多复杂生物系统的设计、构建与测试将成为 可能，合成生物学有望在医药、能源、环保等领域迎来真正的产业化爆发。

华大生命科学研究院张弦笛副研究员、江湘儿副研究员为论文第一作者，华大生命科学研究院沈玥研究员为论文通讯作者。

专家点评

元英进（中国科学院院士）

合成生物学是我国面向生物制造、精准医疗和经济绿色转型的战略高技术，高通量低成本DNA合成技术是其核心使能工具——没有合成技术的突破就无法实现"设计生命"的目标。华大研究院团队研发的mMPS技术，标志着我国在生命科学底层工具领域实现了关键技术自主可控。该技术通过"识别-分选-合成-回收"的迭代机制，实现合成效率与质量的同步提升：产量达皮摩尔至纳摩尔级，错误率显著降低，突破传统技术对PCR扩增和酶纠错体系的依赖，这项突破性进展为后续研究提供了可靠的技术基础。

mMPS展现出对高GC区、重复序列和大规模突变库等复杂序列的强大合成能力，为蛋白进化和功能基因组学研究提供了关键技术支撑。其在合成均匀性和覆盖率方面的优势，提升了疾病机制解析和变异功能研究的可靠性。值得注意的是，该技术通过芯片与控制系统的创新，实现了碱基利用率提高、长链DNA合成成本降低，为微生物底盘开发和个性化基因治疗开辟了新的技术路径。特别是在合成基因组学方面，mMPS为超长染色体合成与多位点编辑提供了关键支撑。

展望未来，结合人工智能与自动化系统，mMPS有望成为“设计-合成-测试-学习”范式的引擎，推动合成生物学在生物制造、医疗健康等领域的深度融合与产业落地。此项突破不仅彰显我国在合成生物学底层工具领域的创新能力，也为构建自主可控的生物技术体系奠定了重要基础，具有重大的学术价值与产业化前景。

专家点评

谭蔚泓（中国科学院院士）

从分子医学与疾病精准诊疗的发展趋势来看，华大研究院所开发的微芯片驱动DNA大规模合成技术（mMPS）无疑是一项具有重大意义的突破。该技术巧妙地融合了高通量、可寻址芯片平台的高度并行能力与传统柱式合成在反应体积、均一性与产量方面的优势，成功解决了长期以来DNA化学合成在通量与产量之间难以兼顾的瓶颈问题。其单序列合成产量实现从fmol至nmol级别的跨越，同时合成错误率显著降低，使我们能够高效、精准地完成大规模基因序列的构建，这为精准医学的深入实践提供了关键基础支撑。

特别值得肯定的是，在构建覆盖数十万个人类蛋白变体的文库时，mMPS技术展现出接近完整（97.8%）的覆盖度和高度均匀的氨基酸分布，为我们系统解析疾病相关突变、发掘新型生物标志物以及设计高特异性分子探针带来了前所未有的可靠工具。作为一名长期面向生命医学问题的分子工具创新应用的研究者，我尤其看好该技术在推动体外诊断、个体化治疗及核酸药物开发等领域范式变革中的潜力。它不仅实现了基因合成规模与精确度的跨越，更将助力我们从“合成能力”走向“功能解析”，真正推动基础发现向临床应用的转化。

专家点评

樊春海（中国科学院院士）

DNA作为生命信息的载体，其精准合成是推动生物传感、纳米技术及信息存储等领域发展的核心驱动力。华大研究院研发的mMPS技术，在DNA合成质量、通量与可编程性方面实现了显著突破，实现了高保真、皮摩尔至纳摩尔级别的寡核苷酸合成。其单链合成无需扩增纠错、错误率低、序列均一性高，为DNA纳米结构自组装、分子机器构建以及高精度生物传感界面的建立提供了坚实基础，也为核酸化学与交叉学科研究提供了全新的技术路径。

从下游应用角度看，mMPS技术在DNA信息存储与DNA计算领域展现出突破性价值，其规模化、高保真与灵活可编程的寡核苷酸库合成能力，不仅能够显著提升数据编码通量和写入准确性，更可实现复杂逻辑运算所需的精准序列设计与合成，推动核酸作为新型信息介质从概念验证走向实用。此外，在转化医学层面，该技术能够高效构建高复杂度突变库和特定功能核酸分子库，为疾病标志物筛选、核酸适配体开发及体外分子诊断提供了强有力的工具支撑，有助于推动精准医学发展并促进创新检测技术向临床转化。该技术不仅为DNA纳米技术、分子计算与信息存储等前沿方向提供了关键技术支撑，更有望成为核酸化学与工程研究的基础平台，推动生物医学交叉研究迈向新高度。

专家点评

闫建斌（中国农业科学院（深圳）农业基因组研究所 ， 研究员，科学探索奖获得者）

我长期从事植物天然产物生物合成研究，我们在完成紫杉醇生物合成通路解析的过程中，深切体会到长片段基因的高效合成对复杂途径异源重构的重要性。传统基因合成方法在通量、长度和成本上的局限，严重制约了合成生物学在复杂代谢途径挖掘与优化中的应用效率。

华大研究院团队开发的微芯片并行合成技术（mMPS），正是在这一背景下的一项重大突破。该技术通过微芯片编码与独立并行化操控策略，实现了DNA分子大规模、并行化的精准合成，尤其令人印象深刻的是，mMPS技术极大简化了长片段基因合成的技术流程，将原来需要通过至少5步以上的操作优化至仅需2步完成，成功将3kb基因一步组装成功率提升至~80%，8 kb长基因的一步组装成功率也有60%左右，这不仅解决了“合成长度”与“合成通量”难以兼得的传统矛盾，更为途径优化、酶工程和染色体级合成提供了前所未有的物质基础。

在我看来，mMPS 不仅仅是一项技术迭代，更是一个面向生物制造数字化和智能化未来的底层平台。它的高通量、可扩展特性，使得DNA合成能够与自动化工作站和人工智能驱动的设计系统无缝衔接，真正实现“设计即合成”。这将大幅加速“设计—构建—测试—学习”的闭环迭代，特别是在需要多基因协调表达和系统优化的复杂生物制造场景中——如我所开展的抗癌药物紫杉醇的异源生产，具有重大的推动意义。该项技术的成熟与推广，将为我国合成生物学研究和高价值生物制品的开发提供关键支撑。很期待在该平台的赋能下，更多复杂天然产物的生物制造能够走向规模化、产业化与应用化。

https://www.nature.com/articles/s41587-025-02844-0

制版人： 十一

参考文献

1. Beltran, A., Jiang, X., Shen, Y. et al. Site-saturation mutagenesis of 500 human protein domains.Nature637, 885–894 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08370-4

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